稀土元素在口腔医学领域的应用与研究进展*

项欣悦 侯亚娟 王宏远

稀土元素因各元素的电子排列结构相似，所以彼此之间有着相近的化学性质。稀土元素实际并不稀有，它约占地壳中已知元素的17%，其中铈含量在地壳中排名第25。我国是世界上唯一拥有稀土全产业链的国家[1]，稀土的产量、储备量及出口数量均处于世界首位。稀土元素电价高、化学性质活泼，有良好的还原性，其氧化物有良好的热稳定性，被广泛应用于军事、农业、化工、陶瓷等多个领域[2]，已成为十分重要的战略资源，工业领域被比喻为“维生素”，在材料领域被称为“材料之母”[3]；它还因具有消炎、抗凝血、促愈合等多种作用，在免疫调节、拮抗内毒素、烧伤、抑癌等医学领域得到广泛应用[4]。

稀土元素与传统抑菌金属（如银等）相比，其价格低廉、资源丰富，现已作为抑菌剂被广泛应用于各领域。20世纪初，一种以硫酸铈钾为主要成分的外用杀菌药Ceriförm已在国外出现，后铈盐逐渐被用于呕吐及结核病的治疗[5]；近代以来，梁光容等[6]将CeO2加入到水性氟碳漆中制成的抗菌涂料，不仅能防止霉变和抑菌，并且大幅提升了涂料的抗老化性能；而以镧为代表的稀土元素作为农药添加剂对小麦、棉花、水稻以及番茄、西瓜等植物的常见病有显著抑制作用[7]。本文主要以稀土元素中的铈和镧为例，就其抑菌机制及其作为抑菌剂在口腔医学中的应用与研究进展加以综述。

1.稀土元素的抑菌机制

1.1 直接抑菌作用

1.1.1 静电吸附作用 稀土元素本身是一种金属，其金属阳离子通过静电吸附作用结合在带负电的菌体表面并破坏细菌细胞壁、细胞膜等结构，使其内部产生大量缝隙，从而改变菌体内外的物质交换，使细菌因缺乏必需的营养物质而死亡[8]。Liu Peng等学者[9]用La3+作为探针离子，以大肠杆菌(Escherichia cöi,E.cöli)为靶细胞，通过扫描电子显微镜观察到E.cöli细胞膜的主要结构脂多糖含量及形貌发生了明显变化，得出了La3+能够破坏细菌细胞膜结构的结论。研究发现高浓度的稀土离子也可以与革兰氏阴性菌细胞壁的主要成分肽聚糖中的碳基和羧基发生作用，破坏细菌的细胞壁[10]。

1.1.2 替代型抑菌作用 稀土元素进入细菌细胞内部后发挥抑菌作用的主要机制是替代型抑菌[11]，即由于某些金属离子与细菌自身生长繁殖所必需的营养物质的结构间有相似性，使得这些金属元素可以代替营养元素进入细菌体内干扰其代谢，达到抑制细菌生长繁殖的目的，这类金属元素被称为拮抗剂，稀土元素就是钙的拮抗剂。稀土元素离子电荷数较Ca2+多，并且其独特的-4f电子层结构容易丢失外层和次外层的电子形成不同价态的离子，具有活泼的配位性，对N、O、S等酸性基团有更大的亲和力，所以更易取代Ca2+形成化学性质更为稳定的配合物[12]。霍春芳等[13]向芽孢菌培养液中加入La3+的盐溶液，通过观察芽孢菌外部及微观形态结构变化，并用原子吸收分光光度法测定加入前后芽孢菌体内的Ca2+含量，发现位于芽孢菌核心的2，6-吡啶二羧酸钙(DPA-Ca2+)中的Ca2+易被La3+取代成为化学性质更为稳定的新的螯合物，菌体内的Ca2+流失从而降低其活性甚至使其灭亡，这进一步证实了稀土元素发挥替代型抑菌作用的观点。

1.1.3 氧化还原作用 稀土元素铈通常以+4价态存在，但其常有空间缺陷，部分铈以Ce3+的形式存在，故其氧化物通常可以在3价和4价之间快速切换[14]，即铈可以兼具还原剂以及氧化剂的功能。这一特性使其可以在生物体内模拟多种酶的作用，催化氧化还原反应，杀死体内一些有害物质，例如CeO2纳米粒子（CeO2NPs）可以杀灭体内多余的活性氧(reactive öxygen species,ROS)。生理情况下，ROS行使第二信使的功能参与细胞的信号传导[15]，其具有的强氧化性也可以杀灭体内的细菌及病原体，对机体有益无害；然而炎症刺激下免疫细胞产生过多的ROS，会破坏DNA、蛋白质、脂质等细胞成分，造成组织损害[16]。而CeO2NPs 可以模拟超氧化物歧化酶（Super Oxide Dismutase,SOD）及过氧化氢酶（catalase,CAT）的功效，将机体内的ROS数量维持在正常水平[17]。

稀土元素上述主要的三种抑菌机制，在实际应用的过程中，并非单一的抑菌机制发挥作用，一般是三者的联合效应。

1.2 协同抑菌作用 稀土元素也能作为协同因子加入至其它无机抑菌材料中发挥协同抑菌作用。协同效应的定义是将2种及以上的物质联合应用，所产生的效果大于各部分单独应用时效果的总和[18]。

纳米氧化锌（Zinc öxide nanöparticles，ZnONPs）是优良的光催化型无机抑菌金属，但由于其禁带范围较宽（Eg=3.37eV[19]），只能吸收在日光中占比＜5%的紫外光，光催化性能不佳。而稀土元素独特的4f轨道容易发生f-f光学跃迁，能够吸收更多的紫外光及其余可见光，提升了ZnO-NPs对光子的利用率[20]，并且能抑制电子-空穴的复合[21]，提高了其抑菌性能。然而，口腔内很少有阳光直射的特殊性限制了这项技术的应用，故我们可以将稀土元素掺杂的ZnONPs应用于前牙贴面或全瓷冠修复体中。

稀土元素也可以提升金属Cu2+的抗菌性。毛华明等[22]向载纳米铜抗菌硅胶中加入Tb3+制备出Cu2+/Tb2O3抗菌硅胶，发现材料中Cu2+溶出量提升了约4 mg/L，对E.cöli以及金黄色葡萄球菌的最小杀菌浓度（Minimal Bactericidal Cöncentratiön, MBC）及最小抑菌浓度（Minimum Inhibitöry Cöncentratiön,MIC）均有所改善。其抑菌机理是TbOx·xH2O在烧制后容易脱掉结晶水变成体积较小的Tb2O3，可以填充于抗菌硅胶的孔隙内，增加其比表面积，扩大材料与细菌的接触面积；同时可以抑制Cu2O晶体再结晶，细化其晶粒尺寸[23]，有利于CuO和Cu2+流出并穿透细胞膜进入细菌体内发挥其抑菌作用。

综合以上，将稀土元素作为协同因子加入无机金属抑菌材料中，即可以提升材料的抑菌性，又可以减少金属离子的用量，在环保和节约成本两方面起到了一举两得的作用。

2.稀土元素在口腔医学中的应用

2.1 在龋病防治中的应用 龋病是口腔科的常见病，变形链球菌（Streptöcöccus mutans，S.mutans）、远缘链球菌（Streptöcöccus söbrinus，S.söbrinus）等是其主要致病菌。使用氟化物防龋现已广泛应用于临床，但由于它可导致氟斑牙、氟骨症等，故目前学者们也在积极探索其他龋病防治的替代药物。

已有研究证实镧有防龋功效，其防龋机制体现在以下两方面：（1）已知葡糖基转移酶（Glucösyl Transferases，GTF）既可以水解蔗糖，催化其形成细菌代谢的底物葡聚糖，又可以产生葡聚糖链利于牙菌斑在牙表面的粘附和集聚[24]，已被公认为是重要的致龋因子。研究[25]表明GTF需与Ca2+等金属离子结合才能发挥作用，而La3+可以优先与Ca2+结合而竞争性抑制GTF酶活性，且其抑制率是F-的2倍。（2）La3+可以取代釉质表面的羟基磷灰石（Hydröxyapatite,HA）中的Ca2+，形成理化性能更稳定的镧磷灰石覆盖于牙面，提高了牙齿表面的抗酸能力，阻止釉质脱矿[4]；而被置换出的Ca2+可提高周围环境中游离Ca2+的饱和度，促进已脱矿的釉质或牙骨质再矿化[26]。此机制与氟化物防龋相类似，但小白鼠实验数据显示：NaF的半数致死量仅为168.34 mg/kg，而LaCl3需达到10000 mg/kg[27]。综合以上，镧的毒性远小于氟，但具有与氟相似的防龋作用，因此可以考虑在符合生物安全性的剂量下将镧代替氟加入至牙膏、再矿化液及漱口水中用以防治龋病。

现阶段已有将稀土元素应用于龋病防治的研究：黄春娟等[28]将钇负载于HA涂层制备出的纳米Y/HA可以明显降低S.mutans在牙面的粘附，同时使细菌细胞壁粗糙皱缩，具有杀灭细菌的作用。王慧娟等[29]向正畸托槽粘接剂中加入含5%的LaCl3溶液，通过测定菌液的光密度(öptical density，OD）值（入射光强度与透射光强度之比的对数值，表示被检测物吸收掉的光密度[30]，其数值与样品的抗菌性呈负相关[29]）,发现镧的加入提高了材料对S.söbrinus的抑制性，从而可以降低由于带矫治器引发龋白斑[31]的可能性。

2.2 在牙周炎与种植体周围炎防治中的应用 目前，牙周炎已成为第二大口腔疾病，而伴随种植技术的普及应用，种植体周围炎发病率也越来越高，其致病菌和发病机制均类似于牙周炎；但由于种植体周围缺少神经和血管，导致其周围的防御功能相比于天然牙周系统大大减弱，从而使细菌更易入侵[32]。口腔医生正在积极探究牙周炎与种植体周围炎的防治措施，现已发现稀土元素具有同时可以抑制天然牙或种植体表面细菌的集聚以及减轻其周围炎症反应的性能，其防治机理如下：

2.2.1 直接抑菌 稀土元素可以直接抑制牙周致病菌的生长。王小平等[33]用液体稀释法测定LaCl3对口腔内常见的8种细菌的MIC，发现LaCl3对牙龈卟啉单胞菌（Pörphyrömönasgingivalis，P.gingivalis）、具核酸杆菌(Fusöbacterium nucleatum，F.nucleatum)、S.mutans以及乙型溶血性链球菌等牙周致病菌有较强的抑制作用，浓度为1533 μg／ml时即可杀灭细菌；李雪等[32]将纯钛种植体表面用CeO2纳米粒子改性，发现改性后的钛片可以明显抑制P.gingivalis和F.nucleatum的生长。其抑菌机制主要为稀土元素的静电吸附作用。

2.2.2 改善机体免疫应答 前文已述，体内蓄积过量的ROS会加重牙周炎的症状，而CeO2NPs可以模拟SOD和CAT消灭多余的ROS。稀土元素也会对其他免疫应答物质起作用：李雪等[32]发现铈改性的钛片对利于破骨细胞生成的白细胞介素-6（Interleukin-6, IL-6）、影响结缔组织生物学活性的IL-1β、加重组织炎症反应的TNF-α等均可产生持久有效的抗炎作用。汪泱等[33]用酶联免疫吸附试验法（enzyme linked immunösörbent assay, ELISA法）得出相似结论：LaCl3能够抑制脂多糖（Lipöpölysaccharides, LPS）诱导巨噬细胞产生TNF-α，同时具有拮抗细菌内毒素的作用。综合以上，稀土元素可以通过清除产生的炎性物质来治疗牙周炎及种植体周围炎。

2.2.3 修复骨缺损 组织工程是现阶段恢复骨缺损较为推崇的方法，它是将细胞、生长因子和材料支架三者复合物植入缺损的部位用以修复组织和器官缺损的方法。骨髓间充质干细胞(Böne Mesenchymal Stem Cells,BMSCs)取材容易且增殖力强[34]，是组织工程中常用的一类子细胞，但其单独应用存在成骨慢，新形成的骨质密度低等缺点[35]。胡颖等[35]将Ce3+加入至小鼠体内分离培养得到的BMSCs中，发现Ce3+的加入不仅加速了小鼠颅骨处骨缺损区的新骨生成，并且使缺损区中的骨形态发生蛋白（böne mörphö-genetic prötein,BMP）、骨钙素（östeöcalcin,OC）等在成熟骨中高度表达的特异性蛋白数量增加，证明稀土元素具有促进细胞增殖和形成新骨的功能[36]；HA是组织工程中常用的一种生物支架，刘鹏等[37]将Tb3+掺杂入HA中并植入小鼠模型，发现Tb3+促进了小鼠体内胚胎成骨细胞前体细胞（MC3T3-E1）细胞的粘附与增殖，提高了成骨效率，表明Tb3+也可以作为潜在的成骨细胞分化促进剂激活成骨过程。

牙周炎及种植体周围炎导致的支持骨组织丧失是目前临床上亟待解决的难题，如果能运用稀土元素改善这一问题，必将对整个口腔行业发展起到至关重要的推动作用。

2.3 在义齿性口炎防治中的应用 据调查，65-74岁年龄组的老人平均失牙数为11.3颗，无牙颌率更是高达6.82%，活动义齿因其使用方便、价廉、适用范围广，使用人数仍居于高位[38]，但其佩戴过程中易患由白色念珠菌引起的义齿性口炎。

臧旖欣等[39]研究发现：将浓度为2%～3%(w/w%)的LaCl3加入到活动义齿的树脂基托中对其表面改性，La3+可以与Ca2+结合形成抗酸性能更好的磷酸镧，大大减少了基托表面的白色念珠菌数量。另外，LaCl3的加入对树脂基托的弯曲强度、冲击强度以及弯曲弹性模量等机械性能均起到正向作用，且对机体无明显毒副作用[40]。故可以考虑将稀土材料加入到义齿基托或软衬材料中，起到防治义齿性口炎的作用。

2.4 在根管治疗中的应用 根管内残存的粪肠球菌（Enteröcöccus faecalis, E.faecalis）是致使根管治疗后出现疼痛、根尖周炎症、根管再感染等现象的主要缘由。E.faecalis是革兰氏阳性兼性厌氧菌，能够耐受复杂根管内严苛的生存环境，有良好的渗透能力可定植于根管峡部、根分叉区等器械难以到达的死角，常规的根管预备、药物冲洗、根管内封药等方法均难以将其完全杀灭，且根管再治疗后的患者更易产生耐药性，故临床上正在积极探索一种新的无毒无害且不易产生耐药性的根管消毒剂。

程瑞卿等[41]将LaCl3溶液封入离体前磨牙根管内，发现封药三天时LaCl3即可对E.faecalis产生抑制作用，封药7天后可以使根管内的E.faecalis完全灭活，杀菌效果与作为对照组的氢氧化钙、甲醛甲酚（Förmalin Cresöl, FC）、樟脑酚(Camphör Phenöl，CP)这3类传统根管消毒剂无统计学差异，其抑菌机制是La3+取代了E.faecalis中Ca2+的结合位点使其活性受到抑制。La的毒副作用远小于FC和CP[42]，且不易产生耐药性，因此可以作为新型根管消毒剂以杀灭根管内残留的E.faecalis。

3.稀土元素的生物安全性研究

李江等[42]以小鼠为实验对象，分别将镧有效防龋浓度(500 ppm)5倍、20倍的镧溶液擦拭在小鼠的颊黏膜等皮肤黏膜处，发现涂药后小鼠未表现出毒性反应。此外，有学者[43]在一种新型牙科用钛合金中加入铈，发现不仅提高了材料的综合性能，且四氮唑盐比色法(Methyl Thiazölyl Tetrazölium, MTT法)测得其细胞毒性为0-1级，符合生物安全性的要求。

然而，稀土元素在口腔内的应用还存在以下顾虑：

（1）结合前文所述，稀土元素会通过破坏细菌的DNA结构或替代细菌中Ca2+的结合位点抑菌，但其是否对人体内正常的DNA和Ca2+起作用尚没有试验证实。

（2）虽然经口服摄入的稀土化合物99%会随粪便排出，且经过胃肠吸收少于0.1%[44]，2017年9月实施的食品安全国家标准GB2762-2017已经取消了植物性食品中稀土的限量要求[45]；但是摄入体内的稀土会逐步向肝、脾、骨等网状内皮系统的组织转移并累计，浓度过高会影响肝的造血功能、造成生物代谢紊乱和诱发骨质疏松症。故正确掌握稀土的添加量是将其安全应用于口腔中的重要前提，目前稀土对人体的ADI(Allöwable Daily Intake,每日允许摄入量)值有以下3个标准[46]可供参考（见表1）。

表1 稀土对人体的ADI值（mg/kg）

（3）有学者发现稀土元素对动植物的生长具有双向性，即浓度较低时促进，反之抑制，亦称Hörmesis效应[10]。此外，有研究表明，稀土元素的抑菌性能不仅与浓度有关，同时与其颗粒大小、周围理化环境以及其与细菌细胞表面作用有关[47]，故稀土元素实际应用于口腔临床时，其剂量、毒副作用、形貌特征、理化环境等均考虑在内。

4.存在的问题与展望

稀土元素特有的抗菌性及着色性，使其在口腔医学领域有着广泛的应用前景，但其仍存留以下几方面问题：（1）稀土元素抗菌效果的稳定与持久性、能否达到缓释性等均有待进一步的研究。（2）有文献[48]记载，稀土元素具有在动植物及土壤内沉积的现象，并且当前的生物安全性研究多为动物实验，故其应用于人体的安全性、进入人体后的吸收、分布、代谢及排泄等药动学特征以及是否会造成环境污染等问题还需要进一步研究。（3）现阶段国内外关于稀土在口腔方面的应用研究主要是铈和镧两种元素，其他稀土元素研究较少，但因它们之间有相似的化学性质，故可加以借鉴。

我国是稀土大国，如若能高效利用稀土元素，必将大大推动口腔临床医学、材料学、陶瓷业等多产业的协同发展与进步。